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研究生:粘斯韋
研究生(外文):Siu-Wen Nien
論文名稱:添加物對鈦酸鍶鋇薄膜特性之影響
論文名稱(外文):Effect of Dopants on the Properties of (Ba,Sr)TiO3 Thin Films
指導教授:王宏文王宏文引用關係
指導教授(外文):Hong-Wen Wang
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:化學研究所
學門:自然科學學門
學類:化學學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:99
中文關鍵詞:添加物鈦酸鍶鋇薄膜
外文關鍵詞:BSTDopantthin films
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本研究利用金屬有機分解法 (MOD) 在Pt/Ti/SiO2/Si 基板上製備 (Ba0.7Sr0.3)TiO3 薄膜,並添加 金 及共添加物 鎂-鑭 、鎂-鈮 ,最後利用 XRD 、SEM 、TEM 研究添加物對薄膜顯微結構的影響﹔再利用 LCR meter 及 HP4155C 來量測介電常數、漏電流,如此便可確知添加物對 BST 薄膜電性的影響。
實驗發現隨著金的添加量增加其晶粒變小 , 並有助於 BST 薄膜的成相,並使其起始結晶溫度降低至570℃。
在電性方面的研究︰單一添加物(金)的添加會使介電常數及漏電流都隨著金的添加量增加而降低。但在低溫退火(570℃、600℃)時 , 介電常數則隨著Au的添加量增加而微幅增加 , 因為在低溫時添加Au有幫助BST薄膜結晶的效果 , 故其介電常數隨之增加。
在共添加系列( 鎂-鑭 、鎂-鈮 ) 中,漏電流同樣也隨著添加量增加而降低,在鎂=5 mol% ,鑭(或鈮) =10 mol%時,漏電流降到最低點,但在隨著添加量繼續增加時,漏電流反而又再上升。

In this study, (Ba0.7Sr0.3)TiO3 thin films added with Au particles were prepared on Pt/Ti/SiO2/Si substrate by metal-organic deposition methods (MOD). Mg-La, Mg-Nb co-doped BST films were also investigated in this work. XRD, SEM, and TEM were used to characterize the effects of dopants on microstructures of the thin films. LCR meter and HP4155C measured the dielectric constant and leakage current of the films.
Additions of gold to the BST films enhance crystallization and to lower crystal temperature to 570℃.
Regarding electric properties, it was found that both dielecric constant and leakage current decreased while doping levels of single dopant (Au) increased. On the other hand, for Mg-La/Mg-Nb co-doped BST films, even though the dielectric constant also decreased with increasing the doping levels, the leakage current reversed. A minimum of the leakage current occurred at Mg=5 mol%, La(Nb)=10 mol%, above that the leakage current would increase with higher doping levels.

第一章緒 論……………………………………………………1
1-1 前 言……………………………………………………1
1-2 鈦酸鍶鋇 ((Ba,Sr)TiO3)材料的特性…………………3
1-3 基 本 理 論……………………………………………5
1-3-1 介 電 係 數………………………………………5
1-3-2 介 電 損 失…………………………………………6
1-3-3 漏 電 流…………………………………………….6
第二章文 獻 回 顧……………………………………….8
2-1 研 究 動 機…………………………………………………8
2-2 薄膜製作技術……………………………………………….8
2-3 改變電極、基板及製程氣氛………………………………10
2-3-1 下電極對BST薄膜特性之影響……………………..10
2-3-2 基板對BST薄膜特性之影響………………………..11
2-3-3 氣氛對BST薄膜特性之影響………………………..11
2-4 添 加 異 質……………………………………………….12
2-4-1 單 一 添 加………………………………………….12
2-4-2 共 添 加………………………………………………15
2-5 BST薄膜應用在微波通訊上……………………………….16
第三章實驗方法及步驟……………………………………18
3-1 基 板………………………………………………………18
3-2 溶 液 製 備………………………………………………19
3-2-1 BST 溶液的製備……………………………………….19
3-2-1 Au溶液的製備………………………………………….20
3-3 鍍 膜 實 驗………………………………………………21
3-4 特 性 量 測………………………………………………22
3-4-1 X光繞射分析儀( X-ray diffractometer)……………22
3-4-2 熱分析儀 (DTA/TGA)………………………………….22
3-4-3 場發射掃描式電子顯微鏡 (FE-SEM)…………………22
3-4-4 穿透式電子顯微鏡(TEM)………………………………23
3-4-5 介電常數量測………………………………………….23
3-4-6 漏電流量測…………………………………………….24
第四章結果與討論…………………………………………25
4-1 添加Au對BST薄膜特性的影響………………………….25
4-1-1 顯 微 結 構……………………………………………25
4-1-1.1 X光繞射圖形………………………………………25
4-1-1.2 TGA/DTA(熱重分析/熱差分析)…………………27
4-1-1.3 顯 微 結 構………………………………………28
4-1-2 電 性……………………………………………………29
4-1-2.1 介電常數及介電損失………………………………29
4-1-2.2 漏 電 流……………………………………………32
4-2 共添加Mg/La , Mg/Nb對BST薄膜特性的影響………….35
4-2-1 顯 微 結 構…………………………………………….36
4-2-1.1 X光繞射圖形………………………………………36
4-2-1.1 顯 微 結 構………………………………………36
4-2-2 電 性…………………………………………………….37
4-2-2.1 介電常數及介電損失………………………………37
4-2-2.2 漏 電 流……………………………………………39
第五章結 論………………………………………………..43
參 考 文 獻…………………………………………………45
圖 表 附 錄
圖1-1 典型的鐵墊材料遲滯曲線…………………………………51
圖1-2 鈣鈦礦之八面體結構(BaTiO3)……………………………51
圖1-3 BaTiO3晶格結構對溫度的關係……………………………52
圖1-4 極化機制……………………………………………………53
圖1-5 四種極化機制隨頻率變化的情形……………………………54
圖3-1 旋鍍製作過程圖………………………………………………55
圖3-2 MIM ( Metal-insulator-metal ) 結構的電容器…………55
圖3-3 , TEM試片製作法………………………………………………56
圖3-4 介電常數與漏電流的量測裝置………………………………60
圖4-1 BST薄膜在不同溫度下退火1小時的XRD變化圖……………61
圖4-2 不同Au添加量在570℃XRD退火一小時之XRD圖…………62
圖4-3 不同Au添加量在600℃XRD退火一小時之XRD圖…………62
圖4-4 不同Au添加量在700℃XRD退火一小時之XRD圖…………63
圖4-5 不同Au添加量在800℃XRD退火一小時之XRD圖…………63
圖4-6 不同Au添加量之熱重分析圖(TGA)………………………64
圖4-7 不同Au添加量之熱差分析圖(DTA)………………………65
圖4-8 Au-doped BST薄膜厚度1100nm(鍍五層)之顯微照片(700℃退火一小時)…………………………………………………………66
圖4-9 Au-doped BST薄膜厚度350nm(鍍3層) 之顯微照片(700℃下退火一小時)……………………………………………………67
圖4-10 Au-doped BST薄膜厚度350nm(鍍3層) 之顯微照片(800℃下退火一小時)………………………………………………………68
圖4-11五層BST膜厚度………………………………………………69
圖4-12三層BST膜厚度………………………………………………69
圖4-13 為Au添加量與晶粒尺寸的關係(退火800℃一小時)………70
圖4-14 (a)(b) BST薄膜添加Au (厚度1100nm)之(a)介電常數及(b)介電損失圖…………………………………………………………71
圖4-15(a)(b) 為添加Au之BST薄膜(厚度為350nm)在700℃、800℃下退火一小時的(a)介電常數及(b)介電損失圖…………………72
圖4-16 (a) (b) 則為兩種不同厚度介電常數之比較圖(a)700℃(b) 800℃…………………………………………………………………73
圖4-17為BST薄膜介電常數對操作電壓圖………………………74
圖4-18 BST添加Au厚度為1100nm在退火570℃、600℃、700℃、800℃ , 漏電流對添加量的關係…………………………………75
圖4-19操作電壓對漏電流的關係圖(退火溫度700℃)………………76
圖4-20操作電壓對漏電流的關係圖(退火溫度800℃)………………77
圖4-21操作電壓對漏電流的關係圖(退火溫度600℃)………………78
圖4-22操作電壓對漏電流的關係圖(退火溫度570℃)……………..79
圖4-23(a)(b) 則為兩種不同厚度漏電流之比較圖(a)700℃(b)800℃………………………………………………………………………80
圖4-24操作電壓對漏電流的關係圖(退火溫度700℃厚度350nm)..81
圖4-25操作電壓對漏電流的關係圖(退火溫度800℃厚度350nm)..81
圖4-26 XRD of 650℃ BST+ Mg/La…………………………………82
圖4-27 XRD of 700℃ BST+ Mg/La…………………………………82
圖4-28 XRD of 750℃ BST+ Mg/La…………………………………83
圖4-29 XRD of 800℃ BST+ Mg/La…………………………………83
圖4-30 XRD of 650℃ BST+ Mg/Nb………………………………84
圖4-31 XRD of 700℃ BST+ Mg/Nb………………………………84
圖4-32 XRD of 750℃ BST+ Mg/Nb………………………………85
圖4-33 XRD of 800℃ BST+ Mg/Nb………………………………85
圖4-34 為共添加Mg/La之BST薄膜厚度為350 nm在800℃的溫度下退火一小時的SEM顯微結構…………………………………86、87
圖4-35為共添加Mg/Nb之BST薄膜厚度為350 nm在800℃的溫度下退火一小時的SEM顯微結構……………………………………88、89
圖4-36(a)(b) 添加5 mol%Mg及1、5、10、15、20 mol%La對BST薄膜的(a)介電常數及(b)介電損失圖………………………………90
圖4-37添加5 mol%Mg及1、5、10、15、20 mol%Nb對BST薄膜的(a)介電常數及(b)介電損失圖……………………………………………91
圖4-38 BST共添加Mg-La厚度為350nm在退火700℃、750℃、800℃ , 漏電流對添加量的關係圖………………………………………92
圖4-39 BST共添加Mg-Nb厚度為350nm在退火700℃、750℃、800℃ , 漏電流對添加量的關係圖………………………………………93
圖4-40退火溫度700℃共添加量Mg/La其操作電壓對漏電流的關係圖………………………………………………………………………..94
圖4-41退火溫度750℃共添加量Mg/La其操作電壓對漏電流的關係圖……………………………………………………………………….95
圖4-42退火溫度800℃共添加量Mg/La其操作電壓對漏電流的關係圖……………………………………………………………………….96
圖4-43退火溫度700℃共添加量Mg/Nb其操作電壓對漏電流的關係圖………………………………………………………………………..97
圖4-44退火溫度750℃共添加量Mg/Nb其操作電壓對漏電流的關係圖………………………………………………………………………..98
圖4-45退火溫度800℃共添加量Mg/Nb其操作電壓對漏電流的關係圖……………………………………………………………………….99
表1-1 最新元件技術發展趨勢………………………………………50
表 2-1薄膜製作技術之比較…………………………………………50
表3-1 BST 溶液製備流程圖…………………………………………57
表3-2 Au 溶液製備流程圖…………………………………………58
表3-3 第一部分實驗試片成分表……………………………………59
表3-4 第二部分實驗試片成分表……………………………………59
表4-1 為Au添加量與晶粒尺寸的關係……………………………70
表4-2 BST薄膜添加Au (厚度1100nm)之介電常數及介電損失…71
表4-3添加Au之BST薄膜(厚度為350nm)在700℃、800℃下退火一小時的介電常數及介電損失………………………………………72
表4-4為兩種不同厚度介電常數之數據比較………………………73
表4-5 BST添加Au厚度為1100nm在退火570℃、600℃、700℃、800℃ , 漏電流對添加量的數據(V=1V)…………………………75
表4-6 為兩種不同厚度漏電流之數據比較…………………………80
表4-7添加5 mol%Mg及1、5、10、15、20 mol%La對BST薄膜的介電常數及損失之數據…………………………………………………90
表4-8 添加5 mol%Mg及1、5、10、15、20 mol%Nb對BST薄膜的介電常數及損失之數據…………………………………………………91
表4-9 BST共添加Mg-La厚度為350nm在退火700℃、750℃、800℃ , 漏電流對添加量的數……………………………………………92
表4-10 BST共添加Mg-Nb厚度為350nm在退火700℃、750℃、800℃ , 漏電流對添加量的數據…………………………………………93

1.S.Y. Wu, “ A new ferroelectric memory device, metal-ferroelectric-semiconductor transistor”, IEEE Transactions on Electron Devices , ED-21[8](1974) , 4992.陳三元 , “強介電薄膜之液相化學法製作”, 工業材料 , 108(1995) , 1003.程海東 , “強介電薄膜之有機金屬化學氣相鍍膜法(MOCVD)製程” , 工業材料 , 108(1995) , 1124.G.W. Dietz, M. Schumacher, R. Waser, S. K. Streiffer, C. Basceri, A. I. Kingon, “ Leakage currents in Ba0.7Sr0.3TiO3 thin films for ultrahigh-density dynamic random access memories” , J. Appl. Phys., 82[5](1997), 23595.Yutaka TAKESHIMA. Katsuhiko TANAKA and Yukio SAKABE , “Thickness Dependence of Characteristics for (Ba,Sr)TiO3 Thin Films Prepared by Metalorganic Chemical Vapor Deposition” , Jpn. J. Appl. Phys. 39(2000) , 53896.H. J. Cho, J. B. Park, Y. S. Yu, J. S. Roh and H. K. Toon , “Low Temperature MOCVD of BST Thin Film For High Density DRAMS” , IEEE. (2001) 557.B.A. Baumert, L.H. Chang, A.T. Matsuda, et. al.,” A study of sputtered barium strontium titanate and strontium titanate thin films” , Integrated Ferroelectrics, 17 (1997), 1658.S.O. Park, C.S. Hwnag, H.J. Cho, C.S. Kang, S.I. Lee, M.Y. Lee, “ Fabrication and electrical characterization of Pt/(Ba,Sr)TiO3/Pt capacitors for ultralarge-scale integrated dynamic random access memory”, Jpn. J. Appl. Phys., 35 (1996), 15489.A. Tsuzuki, k. Kato, K. Kusumoto, Y. Torii, “ Preparation and characterization of (BaxSrxTiO3) films by sol-gel processing” , J.M.S., 33 (1998), 305510.D.M. Tahan, A. Safari, L.C. Klein, “Preparation and characterization of BaxSr1-xTiO3 thin films by sol-gel technique”, J. A.C.S., 79[6](1996), 159311. D.M. Tahan, A. Safari, L.C. Klein, “ Processing and dielectric properties of sol-gel derived BST thin films”, Integrated Ferroelectrics, 15(1997), 9912. H. Basantakumar Sharma, H. N. K. Sarma, and Abhai Mansingh, “ Fatigue in sol-gel derived barium titanate films ”, J. Appl. Phys., 85 (1999) 34113. Jian-Gong Cheng, Jun Tang, Xiang-Jian Meng, Shao-Ling Guo, and Jun-Hao Chu, “ Fabrication and Characterization of Pyroelectric Ba0.8Sr0.2TiO3 Thin Films by a Sol-Gel Process”, J. Am. Ceram. Soc.,84 [7] (2001), 142114. Feng Yan , Peng Bao , Zhigang Zhang , Jinsong Zhu , Yening Wang , Helen L.W. Chan , Chung-Loong Choy , “ Dielectric properties of ( Ba0.5Sr0.5)TiO3 thin films “, Thin Soild Films , 375(2000) , 18415. P. JANA and R. K. PANDEY , “ THIN FILM DEPOSITION OF BARIUM TITANATE BY METAL ORGANIC DECOMPOSITION TECHNIQUE “, Integrated Ferroelectrics ,17 (1997) , 15316. S.B. Krupanidhi , C.-J. Peng , “ Studies on structural and electrical properties of barium strontium titanate thin films developed by metallo-organic decomposition “, Thin Soild Films , 305 (1997) , 14417. DEBORAH A. NEUMAYER, PETER R. DUNCOMBE, ROBERT B. LAIBOWITZ, and ALFRED GRILL, “ CHEMICAL SOLUTION DEPOSITION OF BaSrTiO3 FILMS “, Integrated Ferroelectrics , 18(1997) , 29718. 陳三元 , “強介電陶瓷薄膜的製程與應用”, 工業材料 , 101(1995) , 8619. Young Chul Choi , Byung Soo Lee , “ Bottom electrode dependence of the properties of (Ba,Sr)TiO3 thin films capacitor “, Materials Chemistry and Physics , 61 (1999) , 12420. Deok-Sin KIL, Jong-Bum PARK, Dong-Soo YOON, Chang-Rock SONG, Ho Jin CHO, Younsoo KIM, Yong-Sik YU, Jae-Sung ROH and Hee-Koo YOON, “ Leakage Current Characteristics of (Ba,Sr)TiO3 Thin Films Deposited on Ru Electrodes Prepared by Metal Organic Chemical Vapor Deposition “, Jpn. J. Appl. Phys., 40(2001) , 326021. Di Wu , Aidong Li , Zhiguo Liu , Huiqin Ling , Chuan Zhen Ge , Xiaoyong Liu , Hong Wang , Min Wang , Peng Lii , Naiben Ming ,” Fabrication and electrical properties of sol-gel derived (Ba,Sr)TiO3 thin films with metallic LaNO3 electrode “, Thin Soild Films , 336(1998) , 17222. 曾俊元 , 蔡明憲, “ 高介電材料鈦酸鍶鋇薄膜的缺陷與電性探討”, 電子月刊 , 5(1999) , 14723. M.S. Tsai, S.C. Sun, T.Y. Tseng, “ Effect of oxygen to argon ratio on properties of (Ba,Sr)TiO3 thin films prepared by radio-frequency magnetron sputtering ”, J. Appl. Phys., 82[7](1997) , 348224. U. Syamaprasad, R.K. Galgali, B.C. Mohanty, “ Dielectric properties of the Ba1-xSrxTiO3 system “, Mater. Lett. , 7[5,6](1998) , 348225. P.C. Joshi, S. Ramanathan, S.B. Desu, S. Stowell, S. Senqupta, “ Characterization of Ba0.6Sr0.4TiO3 thin films with Mg additive fabricated by metalorganic decomposition technique “, Integrated Ferroelectrics , 19(1998) , 14126. J.W. Liou, B.S. Chiou, “ Dielectric characteristics of doped Ba1-xSrxTiO3 at the paraelectric state “, Materials Chemistry and Physics , 51 (1997) , 5927. Ki Hyun YOON, Jae Chan LEE, Jihoon PARK, Dong Heon KANG, Ci Moo SONG and Yong Gyo SEO, “ Electrical Properties of Mg Doped (Ba0.5Sr0.5)TiO3 Thin Films “, Jpn. J. Appl. Phys., 40(2001) , 549728. Yuichi Masaki, Ivoil P. Koutzarov, and Harry E. Ruda , “ Gold-Particle-Enhancd Crystallite Growth of Thin Films of Barium Titanate Prepared by the Sol-Gel Process “, J. Am. Ceram. Soc., 81[4] 107429. Anuranjan Srivastava, D. Kumar, and Rajiv K. Singh , “ Improvement in electrical and dielectric behavior of (Ba,Sr)TiO3 thin films by Ag doping “, PHYSICAL REVIEW B , 61(2000) , 730530. S.I. Jang, M. Jang, “Structure and electrical properties of boron-added (Ba,Sr)TiO3 thin films fabricated by the sol-gel method “, Thin Soild Films , 330(1998) , 8931. T. Robert, K. Bernard M, “ Barium strontium titanate (BST) thin films by holmium donor doping “, US Patent US545390832. T.G. In, S. Baik, S. Kim, “ Leakage current of Al- or Nb-doped Ba0.5Sr0.5TiO3 thin films by rf magnetron sputtering “, J. Mater. Res., 13[4] (1998) , 99033. M. Copel, J.D. Baniecki, P.R. Duncombe, D. Kotecki, R. Laibowitz, D.A. Neumayer, T.M. Shaw, “ Compensation doping of Ba0.7Sr0.3TiO3 thin films “, A.P.L. , 73[13] (1998) , 183234. C.J. Ting, C.J. Peng, H.Y. Lu, S.T. Wu, “ Lanthanum-magnesium and lanthanum-manganese donor-acceptor-codoped semiconducting barium titanate “, J. Am. Ceram. Soc., 73[2] (1990) , 32935. San-Yuan CHEN, Hong-Wen WANG and Li-Chi HUANG , “ Electrical Properties of Mg/La , Mg/Nb Co-Doped (Ba0.7Sr0.3)TiO3 Thin Films Prepared by Metallo-Organic Deposition Method “, Jpn. J. Appl. Phys., 40 (2001) , 6336. 呂琪瑋 , 曾俊元 , “ 鈦酸鍶鋇薄膜在微波通訊的應用 “, 電子月刊 , 6 (2000) , 14637. J. Synowczynski, L. C. Sengupta, and L.H. Chiu, “”,Integrated Ferroelectrics , 22 (1998) , 34138. M.W. Cole, P.C. Joshi, M.H. Ervin, M.C. Wood, R.L. Pfeffer, “ The influence of Mg doping on the materials properties of Ba1-xSrxTiO3 thin films for tunable device applications “, Thin Solid Films , 374 (2000) , 3439. Young-Ah JEON, Tae-Suck SEO and Soon-Gil YOON, Effect of Ni Doping on Improvement of the Tunability and Dielectric Loss of Ba0.5Sr0.5TiO3 Thin Films for Microwave Tunable Devices “, Jpn. J. Appl. Phys., 40 (2001) , 6496 40. 謝詠芬 , “穿透式電子顯微鏡分析技術在積體電路製造上的應用”, 科儀新知 , 17 (1995) , 1241. H.J. Hwang, T. Ninomiya, and H. Yamada, “ Perovskite-Type BaTiO3 Ceramics Containing Particulate SiC “, J. Mater. Sci. , 31[17] (1996) , 461742. 黃莉琪 , “ 添加物對鈦酸鍶鋇薄膜顯微結構及其電性之影響“, 交通大學 , 碩士論文(2000)43. 吳朗 , “電子陶瓷-介電”, 全欣資訊圖書 (1994)44. 魏炯權 , “電子材料工程”, 全華科技圖書股份有限公司 (2001)45. 林諭男 , “強介電陶瓷薄膜的應用”, 工業材料 , 107 (1995) , 4946. Hu-Yong Tian, Wei-Gen Luo, Xing-Hua Pu, Ping-Sun Qiu, Xi-Yun He, Ai-Li Ding, “ Synthesis and characteristics of strontium-barium titanate graded thin films at low temperature using a sol-gel technique ”, Soild State Communications , 117 (2001) , 315

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